[發明專利]用于含氣且低滲透性的煤礦層的開采方法

無效

• 申請號: 201280031176.2
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN103781993A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 伊安·格雷
• 申請（專利權）人: 伊安·格雷
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18;E21F7/00;E21B43/17;E21B43/25;E21B43/26
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;譚祐祥

背景技術

煤的地下開采由于儲存在其內的氣體而復雜化。如果待開采的煤礦層(coal?seam)為可充分滲透的，則氣體從固體煤自由地釋放到道路中，或釋放到長壁開采操作的采掘面(face)中。這可引起通風問題，如果通風問題未被適當地管理，則將導致礦井空氣內的過高氣體濃度和存在爆炸性氣體混合物的潛在可能。可滲透的煤大體上可通過在原煤中鉆孔以在開采之前減少其氣體來作為氣體排放過程的一部分。這些孔通常使用定向鉆進(directional?drilling)技術來鉆進礦層中。

在煤缺少滲透性的情況下，在開采煤時存在不同的問題集合。煤不會將氣體自由地排放到開采面(mining?face)之前，且在開采操作期間存在發生突出(outburst)的風險。突出是氣體和煤從煤礦的工作面(working?face)的突然噴出。突出的特征在于與氣體釋放一起的細碎煤釋放。由于機械性損傷或窒息的風險，故這是潛在致命的。已經證明的是，如果可在開采之前從煤移除氣體，則突出不再為風險。突出的發生不僅與氣體含量有關，而且還取決于煤是否具有與其相關聯的韌性。堅韌的煤趨于不會破碎成快速地釋放氣體且容易在突出時轉移的細碎片。由于已破碎的煤(諸如具有斷層泥(fault?gouge)材料)已為成碎片的，故它們特別易于突出。對突出的猛烈程度有貢獻的另一個因素為煤碎片釋放或解吸氣體的能力。這涉及煤材料的擴散性能。

除突出的問題之外，不可滲透的煤趨于保持它們的氣體，直到它們被從采掘面切下，由此氣體被釋放，從而導致切頭附近的過高局部氣體水平。這可導致摩擦點燃問題。

煤滲透性中的差異的原因可在煤結構自身中和煤內的應力大小中找到。煤的滲透性趨于在增大的有效應力的情況下快速地減小。有效應力為存在于地層(formation)(在此情況下為煤)內的總應力與流體壓力之間的差。

極不可滲透煤的開采已經在歐洲進行了很多年。其方法通過使用長壁技術開采鄰近礦層來減小應力，以便引起應力松弛和待開采的礦層的滲透性方面的增大，從而允許氣體釋放。如此釋放的氣體大體上通過穿過松弛的礦層且在鄰近巖層(stratum)中形成的鉆孔來捕獲。

使用該方法使煤脫氣受安全地開采初始礦層的能力限制。然而，初始礦層需要是不易突出的礦層。這可由于其為可滲透的且可排放的，但更主要地由于煤為堅韌的且開采速率低。如果能夠按照安全初始開采處理的礦層不存在，則整個煤層序可能不能開采。

最近，氣體工業中已存在進展以從高度不可滲透的致密煤儲層和其它類型的儲層中獲取氣體，這迄今本應被認為是非經濟可行的。從此類儲層經濟地獲得氣體的關鍵是在儲層內使用定向鉆進和主要但非排他地通過使用水力壓裂來刺激這些孔。因此，儲層的概念已經從具有氣體和用于氣體的足夠滲透性兩者以通過更常規的方式經濟地開發，變成其中儲層具有氣體且滲透性的大部分通過刺激產生。頁巖氣儲量的最近進展尤其是此方法的結果。

高度不可滲透的煤層通常顯現出相比于地層強度高的應力。因此，在此類煤礦層中鉆進的孔可經歷坍塌，坍塌致使它們對于氣體排放目的而言為無用的。通常，在煤中鉆進的孔一般不能夠按照刺激來處理，因為井眼由于煤的破裂或由于煤不具有支承封隔器的強度而受損。由于煤待開采，故非常不期望將套管粘合到隨后可被穿孔和水力壓裂的孔中。其原因在于套管不可被容易地挖出。

發明內容

本發明的原理使用新技術和現有技術的獨特組合。其能夠應用于如下情形，其中存在單個礦層或多個層序的含氣煤礦層，且沒有礦層是足夠滲透性的以使用豎直的孔或礦層中的孔來常規地預排放。為了能夠在煤礦層內形成坑道和巷道，關鍵在于對煤進行排放來避免突出、潛在的采掘面點燃或其它氣體相關事項的問題。

可對煤進行排放的方法是鉆進煤礦層中或優選地鉆進鄰近于礦層的更強的周圍巖層中，以便井眼保持完整。該鉆進優選地使用定向技術來進行。在鉆進鄰近于煤礦層的巖層中的情況下，與在礦層中連續地鉆進的鉆孔相比，該鉆孔可以以稍少的偏差鉆進，因為它不必精確地遵循礦層。鉆進的鉆孔通過使用水力壓裂或其它技術而被刺激，以便允許排放。在鉆進在鄰近于礦層的巖層中完成的優選情況下，優選的刺激技術為通過從鉆孔穿過鉆孔所處的巖層來水力壓裂至煤礦層。在水力壓裂流體中使用支撐劑確保在煤礦層周圍的巖石中和在煤自身中裂口均保持開啟。因此，避免了煤中的鉆孔坍塌問題。